結晶ファセット形成表面に基づく改良型外部抽出発光ダイオード
支持構造(21)と、支持構造(21)上にIII族窒化物発光活性構造(22)のメサ(23)とを含む発光ダイオード(20)が開示される。メサ(23)はIII族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁(24)を有する。基板(43)の反対側にあるIII族窒化物発光活性構造(44)上にサブマウント構造(45)を含むIII族窒化物発光構造から基板(43)を除去することと、その後に異方性エッチングによって基板(43)が除去されたIII族窒化物の表面(53)をエッチングし、ファセットがIII族窒化物の指数面に沿う表面(53)上に結晶ファセットを形成することとを含む、ダイオード(20)を形成する方法も開示される。本方法は、異方性エッチングによって発光活性構造(44)をエッチングし、III族窒化物の指数面に沿って端を有するメサ(23,51)を形成することも含むことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、米国特許出願第10/848,937号(2004年5月18日出願、名称「Method for Fabricating Group−Ill Nitride Devices and Devices Fabricated Using Method」)の一部係属出願である。
【0002】
本発明は、バンドギャップの広い材料で形成される発光ダイオード(LED)に関し、特にそのようなLEDからの光抽出の向上に関する。
【背景技術】
【0003】
発光ダイオードは、半導体材料または半導体材料システムにおいて電子と空孔との再結合時に発光する半導体光素子である。この再結合は、一般にp−n接合を形成するp型およびn型の材料を横切る電圧バイアスによって駆動される。この再結合は、量子力学的ステップであるため、生成される光子、そのエネルギ、よって光子の周波数および波長(色として認識される)は、許容される再結合相互作用の最大エネルギに依存する。
【0004】
電磁スペクトルの紫外線部分に加えて、視認できる色の緑、青、および紫は、一層高い周波数、よって一層高いエネルギ光子を表す。その結果、青色光は、少なくとも約2.6電子ボルト(eV)のバンドギャップを有する材料によってのみ生じさせられ得る。さらに、青色は原色であり、特にフルカラー素子および(赤、緑、および青の組み合わせとして)白色を生じる素子に特に好適であるため、最近の関心は、炭化ケイ素、ダイアモンド、およびIII族窒化物などの材料で形成する広いバンドギャップの発光ダイオードの改良に集中している。特に、III族窒化物活性領域から形成された発光ダイオードは、さらに商業的に受け入れられて、日常的な用途において一般的になっている。
【0005】
多くの因子が統合されることによって、発光ダイオードの可視発光を生じる。しかし、潜在的な限定因子として、再結合により生成されたすべての光子が物理的ダイオードから外に出るわけではない。つまり、所定の電圧は所定数の再結合イベントを生じ、それによって所定数の光子を生成する(同数である必要はない)。しかし、生成された光子のすべてが可視光として外に放出されるわけではない。代わりに、光子は再吸収および内部反射を含む競合因子の影響を受けやすい。したがって、その他のすべての因子が同一ならば、発光ダイオードの可視出力を増加するためには、ダイオードから標的の照射方向に物理的に脱出する光子の部分(パーセント、比率)を増加させることである。
【0006】
Snellの法則の効果は、LEDの外部発光における別の因子、例えば、光が2つの異なる材料の間の界面に当たる場合の光の動作を表す。特に、光波がそのような界面に到達した場合、光波は反射するか、または屈折する。その違いは(屈折の任意の角度と同様に)、隣接する材料の屈折指数および光の入射角に依存する。LEDにおいて、隣接する材料の1つは半導体であり、もう1つは隣接する環境である。一部の例においてこれは空気であり、その他の例においてはレンズ材料、可視範囲内の周波数に対し透明である高分子であることが多い。放出された光子が境界に到達する異なる角度の数を増加させると、それに対応して、より多くの光子が内部反射ではなく放出される統計的確率が高まる。したがって、III族窒化物ベースのダイオードの電子効率が増加するにつれて、境界に基づく効率を高める機会が一層魅力的となった。これらの試みとしては、一般に本発明と同一出願人による特許文献1、特許文献2および特許文献3が挙げられるが、それらに限定されない。
【特許文献1】米国特許第6791119号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第2004/0041164号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第2005/0247950号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0007】
一側面において、本発明は、支持構造、および支持構造上にIII族窒化物発光活性構造のメサを含む発光ダイオードである。メサは、III族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁を有する。
【0008】
別の側面において、本発明は、改良された光抽出を有する発光ダイオードを形成する方法である。この側面において、本方法は、基板の反対側にあるIII族窒化物発光構造上にサブマウント構造を含むIII族窒化物発光構造から基板を除去した後、異方性エッチングによって基板が除去されたIII族窒化物の表面をエッチングし、ファセットがIII族窒化物の指数面に沿う表面上に結晶ファセットを形成するステップを含む。また本方法は、異方性エッチングによって発光構造をエッチングし、III族窒化物の指数面に沿って端を有するメサを形成するステップを含む。
【0009】
本発明において前述の物体および利点、ならびに本発明のその他の物体および利点、またそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明に基づいて明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
図1は、本発明に基づく発光ダイオード20の概略断面図である。当然のことながら、図1は、本発明の特定の側面を説明し、当技術分野において通常の知識を有する者は、本文中においてそれらを理解し、またLEDに関するその他の様々な詳細も検討され得るが、明確にするために図1から省略されていることを理解するであろう。
【0011】
広義において、発光ダイオード20は、図1において括弧でくくった矢印で示される支持構造21、および同様に支持構造21上の括弧でくくった矢印22で示されるIII族窒化物発光活性構造を含む。活性構造は、23で広く示されるメサを形成している。メサ23は、活性構造を形成するIII族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁24を有する。
【0012】
「指数結晶面」という用語は、有理指数の法則に一致して十分理解される意味において使用される。例えば、任意の結晶種には、すべての自然発生面が小整数に比例して逆数切片を有するという点において一組の軸が存在する。これらの整数は、六方晶(窒化ガリウムを含む)の場合、一般に「(hkl)」または(hkil)の形式で示される。結晶面の説明において、選択される整数の組は、多くの可能な選択肢の中で最も簡素な組である必要があり、その最も簡素な組は、結晶面のMiller指数と呼ばれる。結晶中で自然に発生または成長する平面は、表面密度の高い格子サイトを有し、これらの格子サイトは、結晶科学および用語において十分に理解される方法で、三次元に規則的に反復する。
【0013】
結晶構造に精通する者は、当然のことながら、Miller指数システムを使用して、任意の結晶平面(面)を説明できることを認識するであろう。そのため、結晶を鋸で切る、または結晶をエッチングしてプラズマにするといった機械処理によって形成された結晶面は、適切な(hkl)または(hkil)指数の組を有し、平面を適切に説明する。しかし、そのような機械的に形成された平面は、小整数に比例する逆数切片を表さないため、指数結晶面と呼ばれることは稀であり、本明細書ではそのようには呼ばない。代わりに、そのような平面は、特定結晶の自然発生する面に関連しない大整数(「17、13、7」)に比例してもよい逆数切片を有する。本明細書で使用されるように、マイナス記号(「−」)は、負軸上の切片を示す「バー」記号の代わりに使用される。
【0014】
本発明の指数結晶面を区別するため、本明細書においてそれらは「化学的に成長した」という形容詞句とともに呼ばれ、面が湿式化学エッチングを使用して形成されたことを表す。湿式エッチングの性質は、自然発生結晶の非例示的な面ではなく、自然発生する指数結晶面を形成する。例えば、図17として本明細書に含まれる写真は、六方晶系GaNにおいて{10−11}族面に含まれるメサ側壁を示し、特に図17は、[−12−10]および[−1010]方向に沿って、(10−11)、(1−101)および(0−111)平面を示す。本発明に基づいて、支持構造に対する角度は、得られた指数面によって特定される。本角度は、成長基板の方向性、成長基板に対するメサの方向性(例えば、成長面におけるメサの回転)、および/またはエッチング処理に応じて異なっても良い。メサが(0001)平面のSiC基板上に成長したGaNで形成される図17の実施形態において、メサ側壁は一方で約58°、隣接側で約62°を成す。本角度は、ほぼ左右対称にすることが可能であり、非対称性は、上述のパラメータのうちの1つ以上を変えることによって増加できる。本方法において、その他の角度(例えば、42°以上)を得ることができる。当業者であれば、立方GaNのメサ、またはその他の結晶対称性を有するその他の材料が、その他の角度において同様の特性を示すことを認識するであろう。その他の結晶面角度(メサまたは側壁)は、その他の材料またはその他の結晶構造を用いて得られる。一般に、メサ側壁は、メサ材料の指数結晶面に沿って形成し、図示される実施形態において、側壁は支持構造に対し約58°〜62°の角度を形成する。
【0015】
特性の点において、化学的に成長した面は、(部分的または二次反応とは対照的に)エッチング組成と窒化ガリウムとの化学反応によって主に形成される。そのため、水酸化カリウム湿式エッチングは、化学的に成長した面を形成する。窒化ガリウムが適切なガスによって化学的にエッチングされる「逆CVD」処理によって化学的に発生した面が形成される場合がある。これらの化学的に発生した面は、原子スケール上で自然に滑らかである。
【0016】
比較すると、一部の化学反応は、プラズマエッチング組成と下層結晶との間で生じる場合もあるが、化学的に成長した面は、鋸切断またはプラズマエッチングによって形成された面を含まない。さらに、乾式(プラズマ)エッチングは、自然発生する指数面を生成しない。また乾式エッチングは、窒化ガリウムにおいて不利に損傷を誘引する。そうした損傷の一部は、物理的に光を吸収し、その他の損傷は、結晶および結果として生じる素子の電子特性に影響する点欠陥を生じる。
【0017】
例示的な実施形態において、支持構造21は、複数の導電層で形成されるか、またはダイオード20が例えばリードフレームに載置された場合に、垂直方向性を有するように導電パスを含む。例えば、ダイオードを駆動する電流が水平ではなく、ダイオードを横切って軸方向に流れるようにする。多くの場合、垂直ダイオードは、一般に同一の発光領域を有する水平ダイオードより小さい設置面積を有するという点で、「水平」ダイオードに勝る利点を提供する。例示的な実施形態において、支持構造21は、複数の要素を含むことができる。これらは、(図示されるように)基板25、バリア層26および31、および金属結合層27および30を含んでもよい。そのようなサブマウント構造は、同一出願人による米国特許第6,740,906号において詳述されており、その内容は参照することによって本明細書に組み込まれる。
【0018】
これらの複数の層は、「フリップチップ」配向と呼ばれるものに調整および載置されるダイオードの典型例である。本発明は、フリップチップとの関連において本明細書に記載されるが、本発明はフリップチップ配向に限定されない。
【0019】
図1に示される実施形態において、ダイオード20の発光面32は、活性構造22のIII族窒化物表面である。これは、炭化ケイ素またはサファイアなどの透明材料がダイオードの発光面を形成する一部の電流素子と比較される。
【0020】
図示される発光構造22は、窒素面に露出するn型窒化ガリウム33の上部(終端)層、およびp型窒化ガリウム35層で形成される。反対の導電層33および35は、再結合のためのp−n接合を形成する。
【0021】
当然のことながら、発光構造は、例えば、複数の量子井戸または超格子構造などの構造を含む、様々な用途の追加層および/または介在層などの多数の要素を含むことができる。図1に示されるこれらの複雑な構造および基本的な構造は、どちらも本発明に基づいて使用可能であるため、その他の構造については、詳述しない。その他のエッチング液は、ガリウム面または非極性あるいは半極性面に対して開発されてもよい。
【0022】
また当然のことながら、図1は窒化ガリウム(GaN)に関して記載されるが、構造は、例えば、AlGaN、InGaN、およびAlInGaNなどの三元および四元III族窒化物と一致する。本発明の特性に関して、これらの材料系は十分に理解される。
【0023】
既に参照した米国特許第6,740,906号に記載されるように、支持構造21は一般に、金属、半導体、および金属と半導体との組み合わせを含む群から選択される。
【0024】
図1に示される例示的な実施形態において、窒化ガリウム層33および35は、メサ23の指数結晶面側壁24において終端する。メサ側壁は、本明細書で詳述されるように、ダイオードが製造される方法に基づいて、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿う。
【0025】
また図1は、発光構造22に隣接するが、発光面とは反対に配置され、ダイオード20からの光抽出を向上させる鏡36を示す。
【0026】
さらに図1は、ダイオード20の発光面32が同様に結晶学的である例示的な実施形態を示す。例えば、III族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特性から形成される。特に、図1に示されるように、結晶学的表面32の結晶面は、例えば同一または同様のエッチング液および/またはプロセスを使用して形成される場合、メサ側壁24の結晶面に対応する(例えば、幾何学的意味において一致する)。図13および17に関して見られるように(以下に記載)、結晶面の1つが優性であるように見えるが、その他の面も同様である。
【0027】
発光ダイオード20は、支持構造21とのオーム接触37および活性構造22とのオーム接触40も含む。一部の実施形態において、オーム接触40は、結晶学的織り目加工表面32(例えば、図1)に対して形成されるが、その他の実施形態では平坦な表面(図示せず)が接触40用に提供される。結晶学的織り目加工表面32などの粗面にオーム接触40を形成することによって、接触40と活性構造22との間の物理的および電気的接続が向上する場合がある。保護層28は、一般に電気的絶縁および環境保護の目的で含まれる。この保護層は、一般に二酸化ケイ素、化学量論の窒化ケイ素、非化学量論の窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせで形成される。
【0028】
サイズが小さいため(この種のLEDチップは、一般に片側に沿って約200〜1000ミクロンである)、例示的な製造技術において、図示されるダイオード20のようなダイオードは、個別ではなく、共通のウエハ上に複数のメサ構造として形成される。
【0029】
別の側面において、本発明は、改良された光抽出特性を有する発光ダイオードを形成する方法を含む。この側面において、本発明は、図2〜7によって説明される。図2は、半導体基板43、発光活性構造44、および2つの要素46および47(47は結合金属を表す)を有するものとして示されるサブマウント構造45で形成される前駆体構造42を示す。
【0030】
この方法において、GaN窒化物ガリウムまたはその他のIII族窒化物層を保護するという利点から例示的な実施形態では炭化ケイ素である基板43を除去し、図3(基板43以外は図2と同一の要素を含む)に示される前駆体構造50をさらに形成する。SiC基板を除去するための例示的な技術は、既に組み込まれている米国特許出願公開第2005/0247950号において説明されている。サファイア、A1N、SiまたはIII族窒化物の成長に好適なその他の基板などを使用することもできる。
【0031】
図4〜7は次の2つの方法ステップを示すが、図4および5に示されるステップを図6および7に示されるステップを逆順にすることによって、わずかに異なる実施形態の完成構造が形成される。図3から図4に進行する際に、本方法は、異方性エッチングによって発光構造44をエッチング(およびマスキング)し、図1に関して説明された方法と同様に、活性構造44のIII族窒化物の指数面に沿って端52を有するメサ51を少なくとも1つ、一般に複数形成するステップを含む。
【0032】
その後、図4から図5に進行する際に、III族窒化物活性部分44の表面を異方性エッチングによってエッチングし、ファセットがIII族窒化物の指数面に沿う各表面53上に結晶ファセットを成長させる。図5におけるメサ51は、表面エッチングに先立ってエッチングされたため、指数側壁を有するが、主に個別のファセット特性を欠く。特定の実施形態において、保護層28(図1)は、メサ51の側壁52および/または上面に配置できる。次に、保護層の一部を上面から除去することによって、特性を有する表面53の選択的形成が可能になる。保護層は、SiNまたはダイオードの構造および操作に適合し、残りの方法ステップのいずれをも干渉しない任意のその他の好適な材料であってもよい。この実施形態において、保護層はマスクとして作用し、特性53を含む上面の一部を画定する。マスクは、その他の従来のフォトリソグラフィー技術、例えば、SiNを除去するための湿式または乾式フッ化物ベースのエッチングを使用し、要望に応じて開くことができる。
【0033】
図3から図6および7へ相補的に進行する際に、発光(活性)部分44の表面は、最初に異方性エッチングを用いてエッチングされ、表面53に結晶ファセットを成長させる。次に、図6から図7に進行する際に、メサをマスキングおよびエッチングし、わずかに異なるが相補的な構造を形成する。特に、図7に示される結果として生じる構造において、メサ51は、指数面側壁52およびファセット表面53を含むが、側壁52は複数のライン54によって示されるように、追加でファセット処理される。側壁ファセット54は、第2ステップではなく、第1ステップ−エッチングする前−においてファセット処理された表面53から生じる。相補的ステップを使用して、図7におけるメサ51は、複数の個別の指数面ファセット54を含む指数面メサ側壁52を有する。図5および7の両方が示すように、例示的な実施形態において、複数のメサが共通ウエハ上に形成される。
【0034】
例えば、表面およびメサに対するエッチングステップは、どちらも一般に水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、ヘキサシアノ鉄酸カリウム(K2[Fe(CN)6])、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される異方性湿式エッチングによって行なわれる。本発明の特性を形成するその他のプロセスも可能である。約0.01および0.04モル(M)のKOH溶液は、適切な速度でエッチングし、メサまたはファセット処理された発光面のいずれか、または両方を形成する。光化学電気的(「PEC」)技術において、GaN(またはその他のIII族窒化物)は、紫外線照射され(例えば、365ナノメータで5〜10mW/cm2)、エッチング速度を増す。
【0035】
両エッチング(表面およびメサ)に同一のエッチング液が使用される場合、メサ側壁は、表面ファセットと同一の(例えば、幾何学的に一致する)指数面を有する。本明細書で使用されるように、「同一の指数面」という用語は、同一の指数を有するが、空間に同一の平面を持たない平面を示す。
【0036】
特にエッチング状態は、単一の平面(hkil)ではなく、一群の平面{hkil}を確立する。特に、水酸化カリウムエッチングは、複数群の平面を形成してもよく、また恐らく形成するが、これらは特定の結晶(GaN)上での特定のエッチング組成(KOH)の使用に基づいて一定である。比較例として、シリコン技術において、選択された望ましい平面を化学的に発生する特定のエッチング液を購入してもよい。III族窒化物に関しても同様であると考えられるが、まだ確立されていない。しかし、水酸化カリウムの濃度および温度は、得られる平面の群においてほとんど差を生じないことが観察されている。
【0037】
当技術分野において一般に理解されるように、水酸化カリウムは、多くの半導体材料に対する異方性エッチング液である。したがって、異なる結晶面に関して著しく異なる速度でエッチングするため、窒化ガリウムなどの材料を好ましくエッチングし、特定の結晶面を形成する。例えば、米国特許第5,909,458号3段51〜56行および第5,923,481号3段12〜25行を参照されたい。
【0038】
本発明において、水酸化カリウムは、窒化ガリウムの(hkl)平面に沿って面を形成する傾向がある。さらに、当技術分野において、KOHは、好ましい結晶面を比較的広い範囲のエッチング時間および状態で形成することも理解される。
【0039】
実験的観察として、KOHエッチングは、主要群の{hkil}面のみでなく、異なる{hkil}指数を有する二次群の面も形成する。
【0040】
比較において、メサ側壁を形成する機械的または乾式エッチング(例えば、プラズマ)処理を使用してメサを形成する従来の処理は、必ずしも指数結晶面に沿うわけではないが、構造画定技術の製品である。これらの処理は、一般に素子絶縁または接合描写のための垂直な側壁メサを形成する。
【0041】
本発明の方法は、代わりに、個別の接合および素子を絶縁し、異方性エッチングによってそれらを互いに分離するための手段を提供して、発光活性構造を形成する層が、メサの残りの部分と同一の指数端で終端するようにする。
【0042】
相補の目的で望ましい場合、この方法は、メサ側壁の少なくとも一部を乾式エッチングするステップを含んでもよい。また、この方法は、側壁を異方性エッチングする前、または側壁を異方性エッチングした後のいずれかに実施できる。
【0043】
図8、9、および10は、3つの可能な結果を要約する。図8は、指数面側端52を有するメサ51を示す。図9は、指数側端52および結晶ファセット処理された上面53を有するメサ51を示す。図10は、結晶ファセット処理された発光面53、指数面側壁52、およびファセット54を側壁52に有するメサ51を示す。
【0044】
図11〜17は、本発明に基づくダイオードの選択された部分の写真であり、その方法および結果として生じる構造の特性の実例を示す。
【0045】
図11および12は合成写真である。大きい写真は、ダイオードの結晶ファセット面の上面図(例えば、図5、7、および8〜10におけるアイテム53)であり、差込図は、同一表面の断面または斜視図である。特に、この差込写真は、表面の結晶指数面の方向を強調する。
【0046】
図13は、結晶面上の特性の角度がメサ側壁の角度と一致するメサの部分を示す。また図13は、保護層28を示す。この実施形態において、保護層28は、側壁上、およびメサの上面の周囲に沿って残ることによって、ファセット面を制限する。
【0047】
図14は、表面オーム接触の上面図であり、図15は、結晶ファセット面との表面接触を示す断面図である。
【0048】
図16は、表面が形成される前に形成(エッチング処理)されたメサの端を示す。これは、結果として、結晶面に従うが、主にファセット処理されない側壁を生じる。
【0049】
図17は、類似するメサの端を示す。ここで、結晶面はメサの前に形成され、メサが成長された場合にファセット処理された側壁を示す。図16および17は、メサの一方の側壁角度がメサの隣接側の側壁角度と異なってもよいことを示す。
【0050】
本発明に基づくファセット構造は、湿式エッチング処理において自然に成長されるため、本発明は、レンズ状表面を形成または取得する複数の複雑な方法、または光抽出の増加を試みるその他の技術の必要性を回避する。
【0051】
図18、19および20は、化学的エッチングに先立って、乾式またはプラズマ異方性エッチング(例えば、反応性イオンエッチング)を用い、2つのエッチングを連続的に使用する場合に形成できるメサの形状を概略的に示す。図18は、プラズマにおいて異方性エッチングされた場合に、垂直またはほぼ垂直(図19)であるが、本明細書において使用される意味において指数結晶面を表さない側壁61を生成する窒化ガリウム層60の断面を概略的に示す。次に、窒化ガリウム結晶60が湿式化学的エッチングでエッチングされると、図20に示されるように、第2の自然発生する面62を生成する。
【0052】
図21、22および23は、湿式エッチングが乾式またはプラズマエッチングに先行する場合に成長させられる形状を概略的に示す。したがって、図21において、窒化ガリウム層60は、最初に化学的に成長させられ、指数面62を形成し、次に図22から図23に進行する際に、プラズマエッチングによって図20において見られる位置と反対の位置に一層垂直な側壁61を生成する。
【0053】
図24〜27は、その表面に平面および化学的に形成された特徴を有するメサの形成を概略的に示す。図24において、窒化ガリウム結晶は、60で再度指定され、好適なマスク64とともに示される。例えば、SiN、または湿式エッチングに耐え得るその他の商業的に入手可能な高分子フィルムである。マスク64を適切な位置に配置し、図24から図25への進行は、指数結晶面62を再度形成する湿式エッチングを概略的に示す。図25から図26への進行において、マスク64の一部を除去(開放)し、例えば、第2の湿式エッチングが図26から図27への進行時に行なわれた後、結果として生じる特性面32を画定する。これによって、指数側壁62、複数の平面部分65(一般に周辺であるが、必ずしも排他的にそうでなくてもよい)、および例えば図1において同一番号の特性と同一の結晶特性32、または図5〜7、9および10において53で表示される特性を有するメサを形成する。
【0054】
これらの各シーケンスは、指数平面に沿って第1主要部分(例えば、二次的のみならず)および第1主要部分に対し鈍角で第2主要部分を有する2つの側壁部分を形成する。
【0055】
図面および明細書において、本発明の好ましい実施形態が説明される。特定の用語が使用されているが、それらは一般的且つ記述的な意味においてのみ使用され、限定を目的としない。本発明の範囲は、請求項において画定される。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】図1は、本発明に基づく発光ダイオードの一実施形態の概略断面図である。
【図2】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図3】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図4】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図5】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図6】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図7】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図8】図8、9および10は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図9】図8、9および10は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図10】図8、9および10は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図11】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図12】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図13】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図14】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図15】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図16】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図17】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【技術分野】
【0001】
本出願は、米国特許出願第10/848,937号(2004年5月18日出願、名称「Method for Fabricating Group−Ill Nitride Devices and Devices Fabricated Using Method」)の一部係属出願である。
【0002】
本発明は、バンドギャップの広い材料で形成される発光ダイオード(LED)に関し、特にそのようなLEDからの光抽出の向上に関する。
【背景技術】
【0003】
発光ダイオードは、半導体材料または半導体材料システムにおいて電子と空孔との再結合時に発光する半導体光素子である。この再結合は、一般にp−n接合を形成するp型およびn型の材料を横切る電圧バイアスによって駆動される。この再結合は、量子力学的ステップであるため、生成される光子、そのエネルギ、よって光子の周波数および波長(色として認識される)は、許容される再結合相互作用の最大エネルギに依存する。
【0004】
電磁スペクトルの紫外線部分に加えて、視認できる色の緑、青、および紫は、一層高い周波数、よって一層高いエネルギ光子を表す。その結果、青色光は、少なくとも約2.6電子ボルト(eV)のバンドギャップを有する材料によってのみ生じさせられ得る。さらに、青色は原色であり、特にフルカラー素子および(赤、緑、および青の組み合わせとして)白色を生じる素子に特に好適であるため、最近の関心は、炭化ケイ素、ダイアモンド、およびIII族窒化物などの材料で形成する広いバンドギャップの発光ダイオードの改良に集中している。特に、III族窒化物活性領域から形成された発光ダイオードは、さらに商業的に受け入れられて、日常的な用途において一般的になっている。
【0005】
多くの因子が統合されることによって、発光ダイオードの可視発光を生じる。しかし、潜在的な限定因子として、再結合により生成されたすべての光子が物理的ダイオードから外に出るわけではない。つまり、所定の電圧は所定数の再結合イベントを生じ、それによって所定数の光子を生成する(同数である必要はない)。しかし、生成された光子のすべてが可視光として外に放出されるわけではない。代わりに、光子は再吸収および内部反射を含む競合因子の影響を受けやすい。したがって、その他のすべての因子が同一ならば、発光ダイオードの可視出力を増加するためには、ダイオードから標的の照射方向に物理的に脱出する光子の部分(パーセント、比率)を増加させることである。
【0006】
Snellの法則の効果は、LEDの外部発光における別の因子、例えば、光が2つの異なる材料の間の界面に当たる場合の光の動作を表す。特に、光波がそのような界面に到達した場合、光波は反射するか、または屈折する。その違いは(屈折の任意の角度と同様に)、隣接する材料の屈折指数および光の入射角に依存する。LEDにおいて、隣接する材料の1つは半導体であり、もう1つは隣接する環境である。一部の例においてこれは空気であり、その他の例においてはレンズ材料、可視範囲内の周波数に対し透明である高分子であることが多い。放出された光子が境界に到達する異なる角度の数を増加させると、それに対応して、より多くの光子が内部反射ではなく放出される統計的確率が高まる。したがって、III族窒化物ベースのダイオードの電子効率が増加するにつれて、境界に基づく効率を高める機会が一層魅力的となった。これらの試みとしては、一般に本発明と同一出願人による特許文献1、特許文献2および特許文献3が挙げられるが、それらに限定されない。
【特許文献1】米国特許第6791119号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第2004/0041164号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第2005/0247950号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0007】
一側面において、本発明は、支持構造、および支持構造上にIII族窒化物発光活性構造のメサを含む発光ダイオードである。メサは、III族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁を有する。
【0008】
別の側面において、本発明は、改良された光抽出を有する発光ダイオードを形成する方法である。この側面において、本方法は、基板の反対側にあるIII族窒化物発光構造上にサブマウント構造を含むIII族窒化物発光構造から基板を除去した後、異方性エッチングによって基板が除去されたIII族窒化物の表面をエッチングし、ファセットがIII族窒化物の指数面に沿う表面上に結晶ファセットを形成するステップを含む。また本方法は、異方性エッチングによって発光構造をエッチングし、III族窒化物の指数面に沿って端を有するメサを形成するステップを含む。
【0009】
本発明において前述の物体および利点、ならびに本発明のその他の物体および利点、またそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明に基づいて明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
図1は、本発明に基づく発光ダイオード20の概略断面図である。当然のことながら、図1は、本発明の特定の側面を説明し、当技術分野において通常の知識を有する者は、本文中においてそれらを理解し、またLEDに関するその他の様々な詳細も検討され得るが、明確にするために図1から省略されていることを理解するであろう。
【0011】
広義において、発光ダイオード20は、図1において括弧でくくった矢印で示される支持構造21、および同様に支持構造21上の括弧でくくった矢印22で示されるIII族窒化物発光活性構造を含む。活性構造は、23で広く示されるメサを形成している。メサ23は、活性構造を形成するIII族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁24を有する。
【0012】
「指数結晶面」という用語は、有理指数の法則に一致して十分理解される意味において使用される。例えば、任意の結晶種には、すべての自然発生面が小整数に比例して逆数切片を有するという点において一組の軸が存在する。これらの整数は、六方晶(窒化ガリウムを含む)の場合、一般に「(hkl)」または(hkil)の形式で示される。結晶面の説明において、選択される整数の組は、多くの可能な選択肢の中で最も簡素な組である必要があり、その最も簡素な組は、結晶面のMiller指数と呼ばれる。結晶中で自然に発生または成長する平面は、表面密度の高い格子サイトを有し、これらの格子サイトは、結晶科学および用語において十分に理解される方法で、三次元に規則的に反復する。
【0013】
結晶構造に精通する者は、当然のことながら、Miller指数システムを使用して、任意の結晶平面(面)を説明できることを認識するであろう。そのため、結晶を鋸で切る、または結晶をエッチングしてプラズマにするといった機械処理によって形成された結晶面は、適切な(hkl)または(hkil)指数の組を有し、平面を適切に説明する。しかし、そのような機械的に形成された平面は、小整数に比例する逆数切片を表さないため、指数結晶面と呼ばれることは稀であり、本明細書ではそのようには呼ばない。代わりに、そのような平面は、特定結晶の自然発生する面に関連しない大整数(「17、13、7」)に比例してもよい逆数切片を有する。本明細書で使用されるように、マイナス記号(「−」)は、負軸上の切片を示す「バー」記号の代わりに使用される。
【0014】
本発明の指数結晶面を区別するため、本明細書においてそれらは「化学的に成長した」という形容詞句とともに呼ばれ、面が湿式化学エッチングを使用して形成されたことを表す。湿式エッチングの性質は、自然発生結晶の非例示的な面ではなく、自然発生する指数結晶面を形成する。例えば、図17として本明細書に含まれる写真は、六方晶系GaNにおいて{10−11}族面に含まれるメサ側壁を示し、特に図17は、[−12−10]および[−1010]方向に沿って、(10−11)、(1−101)および(0−111)平面を示す。本発明に基づいて、支持構造に対する角度は、得られた指数面によって特定される。本角度は、成長基板の方向性、成長基板に対するメサの方向性(例えば、成長面におけるメサの回転)、および/またはエッチング処理に応じて異なっても良い。メサが(0001)平面のSiC基板上に成長したGaNで形成される図17の実施形態において、メサ側壁は一方で約58°、隣接側で約62°を成す。本角度は、ほぼ左右対称にすることが可能であり、非対称性は、上述のパラメータのうちの1つ以上を変えることによって増加できる。本方法において、その他の角度(例えば、42°以上)を得ることができる。当業者であれば、立方GaNのメサ、またはその他の結晶対称性を有するその他の材料が、その他の角度において同様の特性を示すことを認識するであろう。その他の結晶面角度(メサまたは側壁)は、その他の材料またはその他の結晶構造を用いて得られる。一般に、メサ側壁は、メサ材料の指数結晶面に沿って形成し、図示される実施形態において、側壁は支持構造に対し約58°〜62°の角度を形成する。
【0015】
特性の点において、化学的に成長した面は、(部分的または二次反応とは対照的に)エッチング組成と窒化ガリウムとの化学反応によって主に形成される。そのため、水酸化カリウム湿式エッチングは、化学的に成長した面を形成する。窒化ガリウムが適切なガスによって化学的にエッチングされる「逆CVD」処理によって化学的に発生した面が形成される場合がある。これらの化学的に発生した面は、原子スケール上で自然に滑らかである。
【0016】
比較すると、一部の化学反応は、プラズマエッチング組成と下層結晶との間で生じる場合もあるが、化学的に成長した面は、鋸切断またはプラズマエッチングによって形成された面を含まない。さらに、乾式(プラズマ)エッチングは、自然発生する指数面を生成しない。また乾式エッチングは、窒化ガリウムにおいて不利に損傷を誘引する。そうした損傷の一部は、物理的に光を吸収し、その他の損傷は、結晶および結果として生じる素子の電子特性に影響する点欠陥を生じる。
【0017】
例示的な実施形態において、支持構造21は、複数の導電層で形成されるか、またはダイオード20が例えばリードフレームに載置された場合に、垂直方向性を有するように導電パスを含む。例えば、ダイオードを駆動する電流が水平ではなく、ダイオードを横切って軸方向に流れるようにする。多くの場合、垂直ダイオードは、一般に同一の発光領域を有する水平ダイオードより小さい設置面積を有するという点で、「水平」ダイオードに勝る利点を提供する。例示的な実施形態において、支持構造21は、複数の要素を含むことができる。これらは、(図示されるように)基板25、バリア層26および31、および金属結合層27および30を含んでもよい。そのようなサブマウント構造は、同一出願人による米国特許第6,740,906号において詳述されており、その内容は参照することによって本明細書に組み込まれる。
【0018】
これらの複数の層は、「フリップチップ」配向と呼ばれるものに調整および載置されるダイオードの典型例である。本発明は、フリップチップとの関連において本明細書に記載されるが、本発明はフリップチップ配向に限定されない。
【0019】
図1に示される実施形態において、ダイオード20の発光面32は、活性構造22のIII族窒化物表面である。これは、炭化ケイ素またはサファイアなどの透明材料がダイオードの発光面を形成する一部の電流素子と比較される。
【0020】
図示される発光構造22は、窒素面に露出するn型窒化ガリウム33の上部(終端)層、およびp型窒化ガリウム35層で形成される。反対の導電層33および35は、再結合のためのp−n接合を形成する。
【0021】
当然のことながら、発光構造は、例えば、複数の量子井戸または超格子構造などの構造を含む、様々な用途の追加層および/または介在層などの多数の要素を含むことができる。図1に示されるこれらの複雑な構造および基本的な構造は、どちらも本発明に基づいて使用可能であるため、その他の構造については、詳述しない。その他のエッチング液は、ガリウム面または非極性あるいは半極性面に対して開発されてもよい。
【0022】
また当然のことながら、図1は窒化ガリウム(GaN)に関して記載されるが、構造は、例えば、AlGaN、InGaN、およびAlInGaNなどの三元および四元III族窒化物と一致する。本発明の特性に関して、これらの材料系は十分に理解される。
【0023】
既に参照した米国特許第6,740,906号に記載されるように、支持構造21は一般に、金属、半導体、および金属と半導体との組み合わせを含む群から選択される。
【0024】
図1に示される例示的な実施形態において、窒化ガリウム層33および35は、メサ23の指数結晶面側壁24において終端する。メサ側壁は、本明細書で詳述されるように、ダイオードが製造される方法に基づいて、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿う。
【0025】
また図1は、発光構造22に隣接するが、発光面とは反対に配置され、ダイオード20からの光抽出を向上させる鏡36を示す。
【0026】
さらに図1は、ダイオード20の発光面32が同様に結晶学的である例示的な実施形態を示す。例えば、III族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特性から形成される。特に、図1に示されるように、結晶学的表面32の結晶面は、例えば同一または同様のエッチング液および/またはプロセスを使用して形成される場合、メサ側壁24の結晶面に対応する(例えば、幾何学的意味において一致する)。図13および17に関して見られるように(以下に記載)、結晶面の1つが優性であるように見えるが、その他の面も同様である。
【0027】
発光ダイオード20は、支持構造21とのオーム接触37および活性構造22とのオーム接触40も含む。一部の実施形態において、オーム接触40は、結晶学的織り目加工表面32(例えば、図1)に対して形成されるが、その他の実施形態では平坦な表面(図示せず)が接触40用に提供される。結晶学的織り目加工表面32などの粗面にオーム接触40を形成することによって、接触40と活性構造22との間の物理的および電気的接続が向上する場合がある。保護層28は、一般に電気的絶縁および環境保護の目的で含まれる。この保護層は、一般に二酸化ケイ素、化学量論の窒化ケイ素、非化学量論の窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせで形成される。
【0028】
サイズが小さいため(この種のLEDチップは、一般に片側に沿って約200〜1000ミクロンである)、例示的な製造技術において、図示されるダイオード20のようなダイオードは、個別ではなく、共通のウエハ上に複数のメサ構造として形成される。
【0029】
別の側面において、本発明は、改良された光抽出特性を有する発光ダイオードを形成する方法を含む。この側面において、本発明は、図2〜7によって説明される。図2は、半導体基板43、発光活性構造44、および2つの要素46および47(47は結合金属を表す)を有するものとして示されるサブマウント構造45で形成される前駆体構造42を示す。
【0030】
この方法において、GaN窒化物ガリウムまたはその他のIII族窒化物層を保護するという利点から例示的な実施形態では炭化ケイ素である基板43を除去し、図3(基板43以外は図2と同一の要素を含む)に示される前駆体構造50をさらに形成する。SiC基板を除去するための例示的な技術は、既に組み込まれている米国特許出願公開第2005/0247950号において説明されている。サファイア、A1N、SiまたはIII族窒化物の成長に好適なその他の基板などを使用することもできる。
【0031】
図4〜7は次の2つの方法ステップを示すが、図4および5に示されるステップを図6および7に示されるステップを逆順にすることによって、わずかに異なる実施形態の完成構造が形成される。図3から図4に進行する際に、本方法は、異方性エッチングによって発光構造44をエッチング(およびマスキング)し、図1に関して説明された方法と同様に、活性構造44のIII族窒化物の指数面に沿って端52を有するメサ51を少なくとも1つ、一般に複数形成するステップを含む。
【0032】
その後、図4から図5に進行する際に、III族窒化物活性部分44の表面を異方性エッチングによってエッチングし、ファセットがIII族窒化物の指数面に沿う各表面53上に結晶ファセットを成長させる。図5におけるメサ51は、表面エッチングに先立ってエッチングされたため、指数側壁を有するが、主に個別のファセット特性を欠く。特定の実施形態において、保護層28(図1)は、メサ51の側壁52および/または上面に配置できる。次に、保護層の一部を上面から除去することによって、特性を有する表面53の選択的形成が可能になる。保護層は、SiNまたはダイオードの構造および操作に適合し、残りの方法ステップのいずれをも干渉しない任意のその他の好適な材料であってもよい。この実施形態において、保護層はマスクとして作用し、特性53を含む上面の一部を画定する。マスクは、その他の従来のフォトリソグラフィー技術、例えば、SiNを除去するための湿式または乾式フッ化物ベースのエッチングを使用し、要望に応じて開くことができる。
【0033】
図3から図6および7へ相補的に進行する際に、発光(活性)部分44の表面は、最初に異方性エッチングを用いてエッチングされ、表面53に結晶ファセットを成長させる。次に、図6から図7に進行する際に、メサをマスキングおよびエッチングし、わずかに異なるが相補的な構造を形成する。特に、図7に示される結果として生じる構造において、メサ51は、指数面側壁52およびファセット表面53を含むが、側壁52は複数のライン54によって示されるように、追加でファセット処理される。側壁ファセット54は、第2ステップではなく、第1ステップ−エッチングする前−においてファセット処理された表面53から生じる。相補的ステップを使用して、図7におけるメサ51は、複数の個別の指数面ファセット54を含む指数面メサ側壁52を有する。図5および7の両方が示すように、例示的な実施形態において、複数のメサが共通ウエハ上に形成される。
【0034】
例えば、表面およびメサに対するエッチングステップは、どちらも一般に水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)、ヘキサシアノ鉄酸カリウム(K2[Fe(CN)6])、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される異方性湿式エッチングによって行なわれる。本発明の特性を形成するその他のプロセスも可能である。約0.01および0.04モル(M)のKOH溶液は、適切な速度でエッチングし、メサまたはファセット処理された発光面のいずれか、または両方を形成する。光化学電気的(「PEC」)技術において、GaN(またはその他のIII族窒化物)は、紫外線照射され(例えば、365ナノメータで5〜10mW/cm2)、エッチング速度を増す。
【0035】
両エッチング(表面およびメサ)に同一のエッチング液が使用される場合、メサ側壁は、表面ファセットと同一の(例えば、幾何学的に一致する)指数面を有する。本明細書で使用されるように、「同一の指数面」という用語は、同一の指数を有するが、空間に同一の平面を持たない平面を示す。
【0036】
特にエッチング状態は、単一の平面(hkil)ではなく、一群の平面{hkil}を確立する。特に、水酸化カリウムエッチングは、複数群の平面を形成してもよく、また恐らく形成するが、これらは特定の結晶(GaN)上での特定のエッチング組成(KOH)の使用に基づいて一定である。比較例として、シリコン技術において、選択された望ましい平面を化学的に発生する特定のエッチング液を購入してもよい。III族窒化物に関しても同様であると考えられるが、まだ確立されていない。しかし、水酸化カリウムの濃度および温度は、得られる平面の群においてほとんど差を生じないことが観察されている。
【0037】
当技術分野において一般に理解されるように、水酸化カリウムは、多くの半導体材料に対する異方性エッチング液である。したがって、異なる結晶面に関して著しく異なる速度でエッチングするため、窒化ガリウムなどの材料を好ましくエッチングし、特定の結晶面を形成する。例えば、米国特許第5,909,458号3段51〜56行および第5,923,481号3段12〜25行を参照されたい。
【0038】
本発明において、水酸化カリウムは、窒化ガリウムの(hkl)平面に沿って面を形成する傾向がある。さらに、当技術分野において、KOHは、好ましい結晶面を比較的広い範囲のエッチング時間および状態で形成することも理解される。
【0039】
実験的観察として、KOHエッチングは、主要群の{hkil}面のみでなく、異なる{hkil}指数を有する二次群の面も形成する。
【0040】
比較において、メサ側壁を形成する機械的または乾式エッチング(例えば、プラズマ)処理を使用してメサを形成する従来の処理は、必ずしも指数結晶面に沿うわけではないが、構造画定技術の製品である。これらの処理は、一般に素子絶縁または接合描写のための垂直な側壁メサを形成する。
【0041】
本発明の方法は、代わりに、個別の接合および素子を絶縁し、異方性エッチングによってそれらを互いに分離するための手段を提供して、発光活性構造を形成する層が、メサの残りの部分と同一の指数端で終端するようにする。
【0042】
相補の目的で望ましい場合、この方法は、メサ側壁の少なくとも一部を乾式エッチングするステップを含んでもよい。また、この方法は、側壁を異方性エッチングする前、または側壁を異方性エッチングした後のいずれかに実施できる。
【0043】
図8、9、および10は、3つの可能な結果を要約する。図8は、指数面側端52を有するメサ51を示す。図9は、指数側端52および結晶ファセット処理された上面53を有するメサ51を示す。図10は、結晶ファセット処理された発光面53、指数面側壁52、およびファセット54を側壁52に有するメサ51を示す。
【0044】
図11〜17は、本発明に基づくダイオードの選択された部分の写真であり、その方法および結果として生じる構造の特性の実例を示す。
【0045】
図11および12は合成写真である。大きい写真は、ダイオードの結晶ファセット面の上面図(例えば、図5、7、および8〜10におけるアイテム53)であり、差込図は、同一表面の断面または斜視図である。特に、この差込写真は、表面の結晶指数面の方向を強調する。
【0046】
図13は、結晶面上の特性の角度がメサ側壁の角度と一致するメサの部分を示す。また図13は、保護層28を示す。この実施形態において、保護層28は、側壁上、およびメサの上面の周囲に沿って残ることによって、ファセット面を制限する。
【0047】
図14は、表面オーム接触の上面図であり、図15は、結晶ファセット面との表面接触を示す断面図である。
【0048】
図16は、表面が形成される前に形成(エッチング処理)されたメサの端を示す。これは、結果として、結晶面に従うが、主にファセット処理されない側壁を生じる。
【0049】
図17は、類似するメサの端を示す。ここで、結晶面はメサの前に形成され、メサが成長された場合にファセット処理された側壁を示す。図16および17は、メサの一方の側壁角度がメサの隣接側の側壁角度と異なってもよいことを示す。
【0050】
本発明に基づくファセット構造は、湿式エッチング処理において自然に成長されるため、本発明は、レンズ状表面を形成または取得する複数の複雑な方法、または光抽出の増加を試みるその他の技術の必要性を回避する。
【0051】
図18、19および20は、化学的エッチングに先立って、乾式またはプラズマ異方性エッチング(例えば、反応性イオンエッチング)を用い、2つのエッチングを連続的に使用する場合に形成できるメサの形状を概略的に示す。図18は、プラズマにおいて異方性エッチングされた場合に、垂直またはほぼ垂直(図19)であるが、本明細書において使用される意味において指数結晶面を表さない側壁61を生成する窒化ガリウム層60の断面を概略的に示す。次に、窒化ガリウム結晶60が湿式化学的エッチングでエッチングされると、図20に示されるように、第2の自然発生する面62を生成する。
【0052】
図21、22および23は、湿式エッチングが乾式またはプラズマエッチングに先行する場合に成長させられる形状を概略的に示す。したがって、図21において、窒化ガリウム層60は、最初に化学的に成長させられ、指数面62を形成し、次に図22から図23に進行する際に、プラズマエッチングによって図20において見られる位置と反対の位置に一層垂直な側壁61を生成する。
【0053】
図24〜27は、その表面に平面および化学的に形成された特徴を有するメサの形成を概略的に示す。図24において、窒化ガリウム結晶は、60で再度指定され、好適なマスク64とともに示される。例えば、SiN、または湿式エッチングに耐え得るその他の商業的に入手可能な高分子フィルムである。マスク64を適切な位置に配置し、図24から図25への進行は、指数結晶面62を再度形成する湿式エッチングを概略的に示す。図25から図26への進行において、マスク64の一部を除去(開放)し、例えば、第2の湿式エッチングが図26から図27への進行時に行なわれた後、結果として生じる特性面32を画定する。これによって、指数側壁62、複数の平面部分65(一般に周辺であるが、必ずしも排他的にそうでなくてもよい)、および例えば図1において同一番号の特性と同一の結晶特性32、または図5〜7、9および10において53で表示される特性を有するメサを形成する。
【0054】
これらの各シーケンスは、指数平面に沿って第1主要部分(例えば、二次的のみならず)および第1主要部分に対し鈍角で第2主要部分を有する2つの側壁部分を形成する。
【0055】
図面および明細書において、本発明の好ましい実施形態が説明される。特定の用語が使用されているが、それらは一般的且つ記述的な意味においてのみ使用され、限定を目的としない。本発明の範囲は、請求項において画定される。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】図1は、本発明に基づく発光ダイオードの一実施形態の概略断面図である。
【図2】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図3】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図4】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図5】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図6】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図7】図2〜7は、本発明の特定の方法側面を説明する概略断面図である。
【図8】図8、9および10は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図9】図8、9および10は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図10】図8、9および10は、本発明の特定の構造側面の概略説明図である。
【図11】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図12】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図13】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図14】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図15】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図16】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【図17】図11〜17は、本発明の側面を統合するダイオードの写真および一部である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
III族窒化物発光活性構造のメサを含み、
該メサは、該III族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁を有する、発光ダイオード。
【請求項2】
前記ダイオードの発光面は、前記活性構造のIII族窒化物表面である、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項3】
前記メサの支持構造をさらに含み、該支持構造は、金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項4】
前記発光活性構造は、少なくとも1つのp型窒化ガリウム層および少なくとも1つのn型窒化ガリウム層を含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項5】
前記窒化ガリウム層は、前記メサの前記指数結晶面の端で終端する、請求項4に記載の発光ダイオード。
【請求項6】
前記メサ側壁は、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿っている、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項7】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの{10―11}族結晶面に沿っている、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項8】
前記発光活性構造と前記支持構造との間に鏡をさらに含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項9】
共通のウエハ上にある、請求項1に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項10】
前記III族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特徴から形成される粗面をさらに含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項11】
前記粗面の前記指数面は、前記メサ側壁の指数面と一致する、請求項10に記載の発光ダイオード。
【請求項12】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項13】
前記粗面とのオーム接触を含む、請求項10に記載の発光ダイオード。
【請求項14】
前記側壁は、前記支持構造に対して約58度〜62度の角度を形成する、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項15】
前記メサは、2つの側壁部分を有し、第1の主要部分は前記指数面に沿っており、第2の主要部分は該第1部分に対して鈍角を成す、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項16】
改良された光抽出を有する発光ダイオードを形成する方法であって、
III族窒化物層の表面を異方性エッチングして該III族窒化物表面上に結晶ファセットを形成することを含み、該ファセットは、該III族窒化物の指数面に沿っている、方法。
【請求項17】
前記異方性エッチングに先立って、前記基板の反対側にあるIII族窒化物発光構造上にサブマウント構造を含む該III族窒化物発光構造から基板を除去することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項18】
異方性エッチングによって前記発光構造をエッチングして前記III族窒化物の指数面に沿って端を有するメサを形成することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項19】
前記メサを最初にエッチングし、その後に、前記III族窒化物表面をエッチングして個別のファセット特性のない指数メサ側壁を形成することを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項20】
前記III族窒化表面を最初にエッチングし、その後に、前記メサ側壁をエッチングして複数の個別の指数面ファセットを含む指数面メサ側壁を形成することを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項21】
共通のウエハ上に複数のメサを形成することを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項22】
前記異方性エッチングによって互いに分離される前記ウエハ上の装置間に個別の接合を有する前記メサを形成し、それにより、前記発光活性構造を形成する前記層が該メサの残りの部分と同一の指数端で終端することを含む、請求項21に記載の方法。
【請求項23】
III族窒化物の発光メサ構造から炭化ケイ素基板を除去し、その後に、該メサ構造をエッチングして、該III族窒化物の指数面に沿う結晶ファセットであるメサ側壁を形成することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項24】
前記メサ側壁と同一の指数面に沿って該メサ側壁を形成することを含む、請求項23に記載の方法。
【請求項25】
窒化ガリウム発光構造から前記基板を除去することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項26】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記III族窒化物表面をエッチングすることを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項27】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記メサをエッチングすることを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項28】
前記メサ側壁の少なくとも一部をドライエッチングすることをさらに含む、請求項16に記載の方法。
【請求項29】
前記側壁を異方性エッチングする前に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項28に記載の方法。
【請求項30】
前記側壁を異方性エッチングした後に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項28に記載の方法。
【請求項31】
向上された光抽出特性を有する発光ダイオードであって、
サブマウント構造と、
該サブマウント構造上にあり、印加電圧下でキャリアを再結合およびフォトンを放射するためのp―n接合を形成する、少なくとも1つのn型および1つのp型のIII族窒化物層であって、
該III族窒化物層は、該サブマウント構造上にメサを形成し、そこにおいて該メサの側壁が該III族窒化物の指数面によって画定され、
該ダイオードは、該III族窒化物層の1つで終端し、該終端のIII族窒化物層は、該ダイオードの発光面を形成しており、
該発光面は、該III族窒化物の指数面を示す複数の結晶構造で形成されている、
少なくとも1つのn型および1つのp型のIII族窒化物層と、
該発光面とのオーム接触と、
該サブマウント構造とのオーム接触と
を含む、発光ダイオード。
【請求項32】
前記メサ内の前記III族窒化物層を電気的に絶縁し、かつ環境的に保護するために、前記メサ側壁上、および前記サブマウント構造の上部に保護層をさらに含む、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項33】
前記保護層は、二酸化ケイ素、化学量論の窒化シリコン、非化学量論の窒化シリコン、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項32に記載の発光ダイオード。
【請求項34】
前記サブマウント構造は、前記III族窒化物層を前記サブマウント構造に結合し、該サブマウント構造から前記III族窒化物層へのドーパントまたはその他の材料の不要な移行を防ぐ、複数の金属および半導体の層を含む、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項35】
前記ダイオードからの前記光抽出を向上させるために、前記サブマウント構造と前記III族窒化物層との間に鏡層をさらに含む、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項36】
前記III族窒化物層は、窒化ガリウム、アルミニウム窒化ガリウム、およびアルミニウムインジウム窒化ガリウムから成る群から選択される、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項37】
化学的に発現した側壁を有するIII族窒化物発光活性構造のメサを含む、発光ダイオード。
【請求項38】
前記ダイオードの前記発光面は、前記活性構造のIII族窒化物表面である、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項39】
前記メサの支持構造をさらに含み、前記支持構造は、金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項40】
前記発光活性構造は、少なくとも1つのp型窒化ガリウム層および少なくとも1つのn型窒化ガリウム層を含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項41】
前記窒化ガリウム層は、前記メサの前記指数結晶面端で終端する、請求項40に記載の発光ダイオード。
【請求項42】
前記メサ側壁は、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿っている、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項43】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの{10―11}族結晶面に沿っている、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項44】
前記発光活性構造と前記支持構造との間に鏡をさらに含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項45】
共通のウエハ上にある、請求項33に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項46】
前記III族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特徴から形成される粗面をさらに含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項47】
前記粗面の前記指数面は、前記メサ側壁の指数面と一致する、請求項46に記載の発光ダイオード。
【請求項48】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項49】
前記粗面とのオーム接触を含む、請求項46に記載の発光ダイオード。
【請求項50】
前記側壁は、前記支持構造に対して約58度〜62度の角度を形成する、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項51】
III族窒化物発光活性構造のメサと、
複数の結晶学的特徴から形成される該メサ上の発光面と、
該結晶学的特徴と幾何学的に一致する側壁を該発光面上に有するメサと
を含む、発光ダイオード。
【請求項52】
前記メサの支持構造、および金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される前記支持構造をさらに含む、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項53】
前記発光活性構造は、少なくとも1つのp型窒化ガリウム層および少なくとも1つのn型窒化ガリウム層を含む、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項54】
前記メサ側壁および前記表面結晶学的特徴は、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿う、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項55】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの前記{10―11}族結晶面に沿っている、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項56】
共通のウエハ上にある、請求項51に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項57】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項58】
前記側壁は、前記支持構造に対して約58度〜62度の角度を形成する、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項1】
III族窒化物発光活性構造のメサを含み、
該メサは、該III族窒化物の指数結晶面に沿ってその側壁を有する、発光ダイオード。
【請求項2】
前記ダイオードの発光面は、前記活性構造のIII族窒化物表面である、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項3】
前記メサの支持構造をさらに含み、該支持構造は、金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項4】
前記発光活性構造は、少なくとも1つのp型窒化ガリウム層および少なくとも1つのn型窒化ガリウム層を含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項5】
前記窒化ガリウム層は、前記メサの前記指数結晶面の端で終端する、請求項4に記載の発光ダイオード。
【請求項6】
前記メサ側壁は、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿っている、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項7】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの{10―11}族結晶面に沿っている、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項8】
前記発光活性構造と前記支持構造との間に鏡をさらに含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項9】
共通のウエハ上にある、請求項1に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項10】
前記III族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特徴から形成される粗面をさらに含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項11】
前記粗面の前記指数面は、前記メサ側壁の指数面と一致する、請求項10に記載の発光ダイオード。
【請求項12】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項13】
前記粗面とのオーム接触を含む、請求項10に記載の発光ダイオード。
【請求項14】
前記側壁は、前記支持構造に対して約58度〜62度の角度を形成する、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項15】
前記メサは、2つの側壁部分を有し、第1の主要部分は前記指数面に沿っており、第2の主要部分は該第1部分に対して鈍角を成す、請求項1に記載の発光ダイオード。
【請求項16】
改良された光抽出を有する発光ダイオードを形成する方法であって、
III族窒化物層の表面を異方性エッチングして該III族窒化物表面上に結晶ファセットを形成することを含み、該ファセットは、該III族窒化物の指数面に沿っている、方法。
【請求項17】
前記異方性エッチングに先立って、前記基板の反対側にあるIII族窒化物発光構造上にサブマウント構造を含む該III族窒化物発光構造から基板を除去することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項18】
異方性エッチングによって前記発光構造をエッチングして前記III族窒化物の指数面に沿って端を有するメサを形成することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項19】
前記メサを最初にエッチングし、その後に、前記III族窒化物表面をエッチングして個別のファセット特性のない指数メサ側壁を形成することを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項20】
前記III族窒化表面を最初にエッチングし、その後に、前記メサ側壁をエッチングして複数の個別の指数面ファセットを含む指数面メサ側壁を形成することを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項21】
共通のウエハ上に複数のメサを形成することを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項22】
前記異方性エッチングによって互いに分離される前記ウエハ上の装置間に個別の接合を有する前記メサを形成し、それにより、前記発光活性構造を形成する前記層が該メサの残りの部分と同一の指数端で終端することを含む、請求項21に記載の方法。
【請求項23】
III族窒化物の発光メサ構造から炭化ケイ素基板を除去し、その後に、該メサ構造をエッチングして、該III族窒化物の指数面に沿う結晶ファセットであるメサ側壁を形成することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項24】
前記メサ側壁と同一の指数面に沿って該メサ側壁を形成することを含む、請求項23に記載の方法。
【請求項25】
窒化ガリウム発光構造から前記基板を除去することを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項26】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記III族窒化物表面をエッチングすることを含む、請求項16に記載の方法。
【請求項27】
水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、およびそれらの組み合わせから成る群から選択されるエッチング液を用いて、前記メサをエッチングすることを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項28】
前記メサ側壁の少なくとも一部をドライエッチングすることをさらに含む、請求項16に記載の方法。
【請求項29】
前記側壁を異方性エッチングする前に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項28に記載の方法。
【請求項30】
前記側壁を異方性エッチングした後に、前記メサ側壁をドライエッチングすることを含む、請求項28に記載の方法。
【請求項31】
向上された光抽出特性を有する発光ダイオードであって、
サブマウント構造と、
該サブマウント構造上にあり、印加電圧下でキャリアを再結合およびフォトンを放射するためのp―n接合を形成する、少なくとも1つのn型および1つのp型のIII族窒化物層であって、
該III族窒化物層は、該サブマウント構造上にメサを形成し、そこにおいて該メサの側壁が該III族窒化物の指数面によって画定され、
該ダイオードは、該III族窒化物層の1つで終端し、該終端のIII族窒化物層は、該ダイオードの発光面を形成しており、
該発光面は、該III族窒化物の指数面を示す複数の結晶構造で形成されている、
少なくとも1つのn型および1つのp型のIII族窒化物層と、
該発光面とのオーム接触と、
該サブマウント構造とのオーム接触と
を含む、発光ダイオード。
【請求項32】
前記メサ内の前記III族窒化物層を電気的に絶縁し、かつ環境的に保護するために、前記メサ側壁上、および前記サブマウント構造の上部に保護層をさらに含む、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項33】
前記保護層は、二酸化ケイ素、化学量論の窒化シリコン、非化学量論の窒化シリコン、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項32に記載の発光ダイオード。
【請求項34】
前記サブマウント構造は、前記III族窒化物層を前記サブマウント構造に結合し、該サブマウント構造から前記III族窒化物層へのドーパントまたはその他の材料の不要な移行を防ぐ、複数の金属および半導体の層を含む、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項35】
前記ダイオードからの前記光抽出を向上させるために、前記サブマウント構造と前記III族窒化物層との間に鏡層をさらに含む、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項36】
前記III族窒化物層は、窒化ガリウム、アルミニウム窒化ガリウム、およびアルミニウムインジウム窒化ガリウムから成る群から選択される、請求項31に記載の発光ダイオード。
【請求項37】
化学的に発現した側壁を有するIII族窒化物発光活性構造のメサを含む、発光ダイオード。
【請求項38】
前記ダイオードの前記発光面は、前記活性構造のIII族窒化物表面である、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項39】
前記メサの支持構造をさらに含み、前記支持構造は、金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項40】
前記発光活性構造は、少なくとも1つのp型窒化ガリウム層および少なくとも1つのn型窒化ガリウム層を含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項41】
前記窒化ガリウム層は、前記メサの前記指数結晶面端で終端する、請求項40に記載の発光ダイオード。
【請求項42】
前記メサ側壁は、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿っている、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項43】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの{10―11}族結晶面に沿っている、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項44】
前記発光活性構造と前記支持構造との間に鏡をさらに含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項45】
共通のウエハ上にある、請求項33に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項46】
前記III族窒化物の指数面を示す複数の結晶学的特徴から形成される粗面をさらに含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項47】
前記粗面の前記指数面は、前記メサ側壁の指数面と一致する、請求項46に記載の発光ダイオード。
【請求項48】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項49】
前記粗面とのオーム接触を含む、請求項46に記載の発光ダイオード。
【請求項50】
前記側壁は、前記支持構造に対して約58度〜62度の角度を形成する、請求項37に記載の発光ダイオード。
【請求項51】
III族窒化物発光活性構造のメサと、
複数の結晶学的特徴から形成される該メサ上の発光面と、
該結晶学的特徴と幾何学的に一致する側壁を該発光面上に有するメサと
を含む、発光ダイオード。
【請求項52】
前記メサの支持構造、および金属、半導体基板、およびサブマウント構造から成る群から選択される前記支持構造をさらに含む、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項53】
前記発光活性構造は、少なくとも1つのp型窒化ガリウム層および少なくとも1つのn型窒化ガリウム層を含む、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項54】
前記メサ側壁および前記表面結晶学的特徴は、窒化ガリウムの(hkil)結晶面に沿う、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項55】
前記メサ側壁は、六方晶窒化ガリウムの前記{10―11}族結晶面に沿っている、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項56】
共通のウエハ上にある、請求項51に記載の複数の発光ダイオード。
【請求項57】
前記支持構造とのオーム接触および前記活性構造とのオーム接触を含む、請求項51に記載の発光ダイオード。
【請求項58】
前記側壁は、前記支持構造に対して約58度〜62度の角度を形成する、請求項51に記載の発光ダイオード。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【公表番号】特表2009−525596(P2009−525596A)
【公表日】平成21年7月9日(2009.7.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−552337(P2008−552337)
【出願日】平成19年1月19日(2007.1.19)
【国際出願番号】PCT/US2007/001531
【国際公開番号】WO2007/089460
【国際公開日】平成19年8月9日(2007.8.9)
【出願人】(506078378)クリー, インコーポレイティッド (26)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成21年7月9日(2009.7.9)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年1月19日(2007.1.19)
【国際出願番号】PCT/US2007/001531
【国際公開番号】WO2007/089460
【国際公開日】平成19年8月9日(2007.8.9)
【出願人】(506078378)クリー, インコーポレイティッド (26)
【Fターム(参考)】
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